天宮二號：開啟中國空間“巨無霸計劃”

“難忘5年前和家人守在電視機(jī)前等待你升空那一刻的激動，難忘你和神舟八號、九號及十號的‘天神之吻’?！薄罱?，中國載人航天工程辦公室宣布天宮一號目標(biāo)飛行器正式終止數(shù)據(jù)服務(wù)，將墜入大氣層燒毀。不少網(wǎng)友這樣留言，動情揮別我國這個已在軌工作1630天的空間站“先驅(qū)”。

“功成身退”的天宮一號值得紀(jì)念，今夏接力“上崗”的天宮二號空間實驗室則將開創(chuàng)更多的“第一次”：乘載神舟十一號升空的兩名航天員要在這里住30天，同時還會進(jìn)行天地量子密鑰傳輸試驗、激光通信試驗等多項中國首創(chuàng)的空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗項目。與此相應(yīng)，包括長征七號/五號火箭、天舟一號貨運(yùn)飛船等也將在今年發(fā)射。

在此基礎(chǔ)上，中國將在2020年前后建成永久性空間站，并在2022年全面運(yùn)行。有媒體此前發(fā)布消息稱，國際空間站將在2020年退役，屆時中國空間站可能將成為唯一一個在軌運(yùn)行的太空空間站。當(dāng)年國際空間站項目將中國拒之門外，如今中國卻表示：“我們歡迎國際合作。”

天宮二號有啥新設(shè)備

接過天宮一號的接力棒，天宮二號目前已經(jīng)完成總裝，各系統(tǒng)正在緊張備戰(zhàn)，今年第三季度它將擇機(jī)發(fā)射。之所以說“接力”，一大原因是技術(shù)裝備的提升。

別看天宮二號和天宮一號長得差不多，“里子”變化卻很大。從中國航天科技集團(tuán)此前發(fā)布的消息來看，天宮二號較大的改進(jìn)是裝備更豪華、裝載量提高、內(nèi)部環(huán)境更好。值得一提的是，天宮二號的系統(tǒng)設(shè)計是模塊化的，也就是說它出現(xiàn)問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內(nèi)空間領(lǐng)域?qū)儆谑讋?chuàng)。

其中一個新安裝的設(shè)備是機(jī)械臂，將測試開展艙外搬運(yùn)和維修。這個機(jī)械臂由中國航天科技集團(tuán)公司五院自主研發(fā)。這種設(shè)備目前在國際空間站上已經(jīng)使用，但在我國航天領(lǐng)域仍處于試驗階段。

空間機(jī)械臂是什么？中國航天科技集團(tuán)公司五院總體部空間機(jī)械臂系統(tǒng)研究所副所長高升說，通俗解釋就是一種典型的空間機(jī)器人，同大家熟悉的工業(yè)機(jī)械臂（機(jī)器人）一樣，它能用于空間站在軌組裝、在軌維修、貨物搬運(yùn)與轉(zhuǎn)移、輔助航天員出艙活動等，是空間站建設(shè)和運(yùn)營的關(guān)鍵裝備。

為了研制這條臂展超10米的“手臂”，我國科學(xué)家突破了16項關(guān)鍵技術(shù)，首次采用自主爬行和雙臂組合操作的模式，以實現(xiàn)大范圍大負(fù)載操作以及局部精細(xì)化操作。

所謂“自主爬行”，我們可以理解成機(jī)械臂一種有趣的“走路方式”，它可以頭尾互換地爬到每一個角落。雖然太空沒有重力，但要在速度快、慣性大的太空里拿起一件東西也不是那么簡單的；而且萬里之遙的機(jī)械臂全靠自己的判斷來選擇采取什么姿式、用多少勁，這個度很難拿捏。這些都需要在天宮二號上測試。

除了測試裝備，天宮二號還將在明年上半年驗證與天舟一號貨運(yùn)飛船的對接和資源補(bǔ)給技術(shù)，這也是世界范圍內(nèi)的難題。而且，因為后續(xù)要建造長期在軌飛行的永久性空間站，推進(jìn)劑會不斷消耗，天宮二號還必須要實驗突破補(bǔ)加技術(shù)。

天宮二號將做些啥實驗

雖然天宮一號、天宮二號都屬于空間實驗室，但后者更為正規(guī)，或者說天宮二號才是真正意義上的空間實驗室。

中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心高級顧問、中國科學(xué)院院士顧逸東認(rèn)為，天宮一號開創(chuàng)性地突破了交會對接技術(shù)、組合體管控以及航天員中期駐留等先期技術(shù)驗證，在天宮二號上，這些成熟技術(shù)將被用來開展包括空間科學(xué)和應(yīng)用的實驗。

需要說明的是，天宮二號將成我國最忙碌的空間實驗室，各類計劃的實驗項目達(dá)到了史無前例的14項，涉及微重力基礎(chǔ)物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)等多個領(lǐng)域，其中兩項有駐留30天的航天員直接參與操作，一項為國際合作。這些項目中，大多是當(dāng)前世界最前沿的探索領(lǐng)域。

比如，天宮二號將搭載全球第一臺冷原子鐘進(jìn)入太空，并進(jìn)行相關(guān)實驗。利用太空微重力條件，這臺冷原子鐘的穩(wěn)定度將高達(dá)10的負(fù)16次方，可以將航天器自主守時精度提高兩個數(shù)量級，能大幅提高如北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。

比如，試驗從太空分發(fā)量子密鑰。密鑰分發(fā)是實現(xiàn)“無條件”安全的量子通信的關(guān)鍵步驟。量子是微觀物理世界里不可分割的基本個體。由于作為信息載體的單光子具有不可分割、量子狀態(tài)不可克隆等特性，密鑰分發(fā)可以抵御任何形式的竊聽，進(jìn)而保證用其加密的內(nèi)容不可破譯。從原理上來說，這種通信方式就是無條件安全的。

目前，全長2000多公里的“京滬干線”大尺度光纖量子通信骨干網(wǎng)正在收尾，將在今年下半年建成；全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星有望在7月發(fā)射。屆時，一個天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形將會形成。在這個過程中，天宮二號可以扮演量子衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的角色，實驗遠(yuǎn)距離量子通信，讓信息在地面城市與太空構(gòu)筑的范圍內(nèi)實現(xiàn)“無條件”的安全傳輸。

此外，天宮二號還選擇了水稻和擬南芥，計劃進(jìn)行‘從種子到種子’的植物全生育發(fā)展過程實驗；搭載中國科學(xué)院與瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)聯(lián)合研制的伽馬暴探測設(shè)備，測量宇宙的伽馬暴射線和散射狀態(tài)，從而研究揭示宇宙結(jié)構(gòu)、起源、演化等問題。

中國空間站將是多面手

按照計劃，中國將在2018年發(fā)射三艙空間站也就是長期有宇航員照料的空間站的首艙，組裝工作將于2020年完成，2022年投入全面運(yùn)行?？臻g站的軌道高度為340-450公里，設(shè)計使用壽命為10年。隨著艙段的增加（最多會有6個艙段），航天員的數(shù)量可能從最初的3名增加到6名。

和天宮一號、天宮二號相比，空間站又有何不同呢？顧逸東介紹說，空間站將是一個全新的階段。天宮一號、天宮二號名字叫空間實驗室，顧名思義，比較小，是單艙室的，重量也就8噸左右；空間站則是一個新系統(tǒng)、組合體。

具體來說，這個組合體初期將有3個艙段，一個核心艙，兩個實驗艙，每個艙段都是20噸級。核心艙有5個對接口，可以對接一艘貨運(yùn)飛船、兩艘載人飛船和兩個實驗艙，另有一個供航天員出艙活動的出艙口。也就是說，空間站運(yùn)營期間，最多時整個系統(tǒng)加起來將達(dá)90多噸。

要搭建這么巨大的空間站，天宮二號的角色就顯得極為重要了，其實驗的機(jī)械臂操作技術(shù)將在這時候派上大用場。天舟貨運(yùn)飛船把不同的載荷包括小型艙段運(yùn)輸上太空后，航天員和機(jī)械臂要互相配合將其裝配到空間站上。正如中國載人航天工程總設(shè)計師周建平所說：“一名航天員在艙內(nèi)操作機(jī)械臂，一名航天員在艙外太空行走。無論是艙段轉(zhuǎn)位、大設(shè)備的移動，還是航天員自身的移動，都可以通過機(jī)械臂完成?！敝挥醒菥毢萌藱C(jī)配合，中國空間站未來的建造和維修才成為可能。

“空間站的神圣使命是成為太空中的中國國家實驗室，支持科學(xué)家從事前沿科學(xué)探索、空間技術(shù)研究和空間資源的開發(fā)和利用。最終目的是為全人類造福。”周建平說，可以預(yù)計的是，在空間站里，涉及空間科學(xué)和應(yīng)用的大部分研究都可以進(jìn)行，另外像空間天文、空間物理和空間環(huán)境研究以及從太空對地球觀測，對地球系統(tǒng)進(jìn)行研究等也都成為了可能。

此外，我國還將發(fā)射一個單獨(dú)的光學(xué)艙，它的功能類似“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡，但視場是哈勃的300倍，能拍攝到40%左右的宇宙空間，這將是中國人的“宇宙之眼”。光學(xué)艙將與空間站保持一定距離進(jìn)行共軌飛行，需要補(bǔ)加推進(jìn)劑或維護(hù)升級時，與空間站交會對接，由航天員操作。

中國愿意開展太空國際合作

“中國一直本著和平開發(fā)利用太空的原則，歡迎并致力于國際合作?！闭缰芙ㄆ剿榻B的，天宮二號搭載中瑞聯(lián)合研制的伽馬暴探測設(shè)備就是中歐科學(xué)家合作研究宇宙奧秘的例證。

其實，我們依然記得，國際空間站上世紀(jì)90年代開始實施時，由于美國的反對，中國沒有成為國際空間站的啟動方。有媒體猜測，國際空間站將在2020年完成歷史使命并退役，屆時中國的空間站可能將成為唯一的一個在軌運(yùn)行的太空空間站。

或許是出于資金風(fēng)險的現(xiàn)實考慮，一些美國媒體已經(jīng)在開始反思當(dāng)初阻攔中國一起建造人類有史以來最大、最酷的一個“樹上小屋”（國際空間站）的愚蠢心理，并敦促美國宇航局和中國航天局進(jìn)行合作。

不過，俄羅斯和歐洲顯然沒有美國那么矜持。此前，中國載人航天工程辦公室已經(jīng)分別與俄羅斯聯(lián)邦航天署和歐洲航天局就科學(xué)家進(jìn)入中國空間站達(dá)成協(xié)議。

現(xiàn)在的問題是，除了乘坐中國的神舟飛船，這些科學(xué)家能否乘坐其它國家的飛船對接中國空間站呢？因為此前的太空合作計劃中并沒有中國的名字。

歐洲航天局局長約翰-迪特里希·韋爾納在去年的一次記者招待會上表示，把中國等非傳統(tǒng)伙伴納入更大的人類探索平臺舉措是務(wù)實的。因為只有讓中國參與制定對接機(jī)制的國際標(biāo)準(zhǔn)，來自不同國家的宇宙飛船才能在太空連接在一起。

對此，中國是持歡迎態(tài)度的。周建平說：“我認(rèn)為，我們可以做得更多?！笔聦嵣?，中國也不是說說而已，空間站為大艙段對接預(yù)留的接口，不就是為開展國際合作提供的一個可能嗎？

（劉華峰薦自《人民日報》）

責(zé)編：小側(cè)